• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2013년도 제44회 동계 정기학술대회 초록집
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• pp.371-371
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• 2013

사파이어 단결정 웨이퍼는 제조과정에서 결정 성장 조건 및 기계적 연마에 의하여 내부적인 결함이 발생할 수 있다. 사파이어 단결정은 일반적으로 LED용 기판 재료로 사용되며, 내부결함이 발생 시 기판 위의 GaN 등 layer의 결함도 함께 증가하므로 기판의 결함을 줄이는 과정이 중요한 이슈이다. 이 과정에 X-선 토포그래피는 단결정의 내부 결함을 모니터링 하는데 있어서 매우 유용한 방법이다. 이에 본 연구에서는 사파이어 단결정 웨이퍼에 내재하는 결함 형태를 X-선 Lang 토포그래피 방법(X-ray Lang Topography)으로 이미징하여 관찰, 분석하였다. Lang 토포그래피 방법은 X-선 투과법으로 넓은 부분을 우수한 강도와 분해능으로 내부 결함을 관찰할 수 있는 장점을 지니고 있다. X-선 source는 Mo $k{\alpha}$ 1을 사용하였으며, 시료는 c-plane 사파이어 웨이퍼를 사용하였다. 사파이어 웨이퍼의 (110), (102) 회절면의 X-선 토포그래피 이미지를 통해 전위 결함의 유형에 따른 이미지 패턴의 형성 메커니즘에 대해 연구하였고, 측정 회절면과 두께, 표면 데미지에 따른 전위 결함 이미지의 변화를 확인하였다. X-선 토포그래피 이미지를 통해 단결정 c-plane 사파이어 웨이퍼의 전위 결함의 형성 메카니즘 연구와 유형별 이미지와 회절면, 두께, 표면 데미지에 따른 이미지 변화 등을 확인하였다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2012년도 제43회 하계 정기 학술대회 초록집
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• pp.306-306
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• 2012

사파이어 단결정은 LED 소자의 기판으로 널리 사용되고 있으며 현재 소재 수율을 향상시키기 위하여 6인치 이상의 대구경 웨이퍼를 만들기 위하여 많은 노력을 경주하고 있다. 단결정, 특히 반도체 단결정 웨이퍼에서($00{\cdot}1$), ($11{\cdot}0$) 등의 어떠한 결정학적인 방위(crystallographic orientation)가 표면과 이루는 각도, 즉 표면방위각(off-cut 또는 misorientation angle)의 크기와 방향은 제조된 LED 소자의 물성에 영향을 끼치므로 웨이퍼를 가공할 때 정확하게 컨트롤해야한다. 본 연구에서는 고분해능 X-선을 이용하여 표면이 결정학적 방향과 이루는 면방위각을 정밀하게 결정하는 측정법을 연구하였다. 본 연구에서는 기존의 ASTM 의 측정법과는 다른 원리를 이용하고 웨이퍼의 휨(bending)이나 측정고니오 회전축의 편심과 무관하게 표면방위각을 결정하는 새로운 이론적 모델을 제시하고 그 모델을 적용하여 표면의 수직축이 대구경 사파이어($00{\cdot}1$) 축과 이루는 표면방위각을 정확하게 측정 분석하였다. 그리고 이러한 측정방법의 장점을 이용하여 ASTM의 측정법과 면방위 측정 결과를 비교 분석 하였다. 150 mm 사파이어 웨이퍼를 ASTM의 방법으로 면방위를 측정하였을 때 고분해능 장비에서 회전축 ${\Phi}$의 기준을 다르게 설정함에 따라서 수직/수평 면방위 측정결과가 많은 차이를 보였다. 그러나 본 연구에서 사용한 측정법에서는 이러한 수직/수평 면방위의 값들이 거의 변화하지 않고 일정하게 나타나는 것을 확인 하였으며, 측정한150 mm 사파이어 웨이퍼의 표면방위각은 $0.21^{\circ}$이고 표면각이 나타나는 방향은 웨이퍼의 primary edge 방향으로부터 $1.2^{\circ}$벗어나 있는 방향이었다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2012년도 제42회 동계 정기 학술대회 초록집
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• pp.361-361
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• 2012

사파이어 단결정은 LED 소자의 기판으로 널리 사용되고 있으며 현재 소자 수율을 향상시키기 위하여 6인치 이상의 대구경 웨이퍼를 만들기 위한 많은 노력을 경주하고 있다. 단결정, 특히 반도체 단결정 웨이퍼에서 ($00{\cdot}1$), ($10{\cdot}2$) 등의 어떠한 결정학적인 방위(crystallographic orientation)가 표면과 이루는 각도, 즉 표면방위각(off-cut 또는 misorientation angle)의 크기와 방향은 제조된 LED 소자의 물성에 영향을 끼치므로 웨이퍼를 가공할 때 정확하게 콘트롤해야 한다. 본 연구에서는 고분해능 X-선을 이용하여 표면이결정학적 방향과 이루는 면방위각을 정밀하게 결정하는 측정법을 연구하였다. 기존의 ASTM 의 측정법과는 다른 원리를 이용하고 웨이퍼의 휨(bending)이나 측정고니오 회전축의 편심과 무관하게 표면방위각을 결정하는 새로운 이론적 모델을 제시하고 그 모델을 적용하여 표면의 수직축이 대구경 사파이어 ($00{\cdot}1$) 축과 이루는 표면방위각을 정확하게 측정 분석하였다. 본 연구에서 사용한 6인치 사파이어 웨이퍼에 대하여 표면방위각은 $0.21^{\circ}$이었으며 표면각이 나타나는 방향은 웨이퍼의 primary edge 방향으로부터 $-1.2^{\circ}$ 벗어나 있는 방향이었다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2013년도 제45회 하계 정기학술대회 초록집
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• pp.222-222
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• 2013

GaN 기반 반도체는 넓은 bandgap을 가지고 있어 가시광부터 자외선까지 다양한 광전소자에 유용하게 사용된다. 광전소자중 발광다이오드의 경우 대부분 사파이어 기판위에 성장된다. 하지만 사파이어와 GaN의 격자 불일치 및 열팽창 계수의 차이로 인해 고품질의 GaN를 성장하기가 어렵다. 특히 열팽창 계수의 차이는 GaN 성장 공정이 고온에서 이루어지기 때문에 성장후 상온으로 온도가 떨어질 때 웨이퍼의 bowing을 발생시키고 동시에 dislocation이나 crack과 같은 결함이 생성되 GaN 성장막의 품질을 떨어트린다. 웨이퍼의 크기가 커지면 커질수록 웨이퍼 bowing은 커져 이에 대한 연구는 중요하다. 본 논문에서 2인치 사파이어 기판위에 성장된 GaN의 bow특성을 알아보기 위해 먼저 simulation을 하였고 실제로 성장된 GaN 웨이퍼와 비교를 하였다. c-plane 사파이어 기판위에 성장된 c-plane GaN의 bow특성을 알아보기 위해 성장 온도 $1,100^{\circ}C$에서 GaN두께를 1 ${\mu}m$에서 10 ${\mu}m$까지 1 ${\mu}m$씩 변화시켜 가며 simulation을 하였다. GaN두께가 1 ${\mu}m$일때는 bow가 11 ${\mu}m$, 6 ${\mu}m$ 일때는 54.7 ${\mu}m$, 10 ${\mu}m$ 일때는 108 ${\mu}m$를 얻어 GaN두께가 1 ${\mu}m$씩 증가할 때 마다 bow가 약 10 ${\mu}m$씩 증가하였다. 성장온도에 대한 영향을 알아보기 위해 $700^{\circ}C$에서 $1,200^{\circ}C$까지 $100^{\circ}C$씩 증가시켜며 bow특성 simulation을 하였다. 6 ${\mu}m$성장된 GaN의 경우 성장온도가 $100^{\circ}C$ 씩 증가할 때 bow는 약 6 ${\mu}m$ 증가하였다. 실제 성장된 c-plane GaN웨이퍼와 비교하기 위해 GaN을 각각 3 ${\mu}m$와 6 ${\mu}m$를 성장시켰고 high resolution x-ray diffraction장비를 사용하여 bow를 측정한 결과 각각 28 ${\mu}m$와 61 ${\mu}m$ 였고 simulation결과는 각각 33 ${\mu}m$와 65.5 ${\mu}m$를 얻어 비슷한 결과를 보였다. c-plane 사파이어 기판위에 성장된 c-plane GaN는 방향에 무관하게 동일한 bow 특성을 가지는 반해 r-plane 사파이어 기판위에 성장된 a-plane GaN는 방향에 따라 다른 bow특성을 보인다. a-plane GaN 이방향성적인 bow 특성을 알아보기 위해 simulation을 하였다. $1,100^{\circ}C$에서 a-plane GaN을 성장할 때 두께가 1 ${\mu}m$ 증가할 때마다 bow가 c축 방향으로는 21.7 ${\mu}m$씩 증가하였고 m축 방향으로는 11.8 ${\mu}m$ 씩 증가하여 매우 큰 이방향성적인 bow 특성을 보였다. 실제 r-plane 사파이어 기판위에 성장된 a-plane GaN의 bow를 측정하였고 simulation 결과와 비교해 보았다.

• 한국재료학회:학술대회논문집
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• 한국재료학회 2009년도 춘계학술발표대회
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• pp.50.2-50.2
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• 2009

사파이어는 질화물계 광전자소자 제작 시 박막 성장 기판으로 주로 사용되어 최근 그 중요성이 부각되고 있다. 특히 미세 패턴이 형성된 사파이어 기판을 이용하여 질화물계 발광다이오드 소자를 제작하면 빛의 난반사가 증가하여 광추출효율에 큰 개선이 나타난다. 또한 사파이어는 화학적 안정성이 뛰어나고, 높은 강도를 지녀 나노임프린트 등 여러 가지 패터닝 공정에서 패턴 형성 몰드로도 응용될 수 있다. 그러나 이와 같은 사파이어의 화학적 안정성으로 인하여 sub-micron 크기의 미세 패턴을 형성하기 힘들며, 현재 사파이어의 패턴은 micron 크기로 제한되어 사용되고 있다. 본 연구에서는 나노임프린트 리소그라피(NIL)를 사용하여 사파이어 웨이퍼의 c-plane위에 sub-micron 크기의 hole 패턴 및 pillar 패턴을 형성하였다. 우선 Hole 패턴을 형성하기 위해 사파이어 기판 위에 금속 hard mask 패턴을 UV 임프린트 공정과 etch 공정을 통해 형성하였다. 그리고 이 금속 패턴을 mask로 사파이어를 ICP 식각을 하여 hole 패턴을 형성하였다. 또한 Pillar 패턴을 형성하기 위해 lift-off 공정을 이용하여 금속 마스크 패턴을 형성하였고 이를 ICP 식각을 통해 사파이어 기판 위에 pillar 패턴을 형성하였다.

• 한국정밀공학회지
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• 제22권2호
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• pp.46-52
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• 2005

The sapphire wafer was polished by the implementation of the surface machining technology based on nano-tribology, The removal process has been performed by grinding, lapping and chemical-mechanical polishing. For the chemical mechanical polishing process, the chemical reaction between the slurry and sapphire wafer was investigated in terms of the change of Zeta-potential between two materials. The Zeta-potential was -4.98 mV without the slurry in deionized water and was -37.05 mV for the slurry solution. By including the slurry into the deionized water the Zeta-potential -29.73 mV, indicating that the surface atoms of sapphire become more repulsive to be easy to separate. The average roughness of the polished surface of sapphire wafer was ranged to 1∼4$\AA$.

• 한국결정성장학회지
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• 제10권5호
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• pp.350-355
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• 2000

수평 Bridgeman방식으로 성장된 C축 방향의 사파이어 결정기판을 연마 가공하였으며, 또한 유기금속 기상화학 증착 방법으로 사파이어 기판 위에 GaN 박막을 증착하였다. 사파이어 인고트를 성장하여 2인치 사파이어 기판으로 이용하였으며 웨이퍼 절편장치 및 연마장치를 개발하였다. 이러한 다단계의 연마 가공은 기판 표면을 경면화하였다. 표면 평탄도 및 조도는 원자힘현미경으로 측정하였다. 개발된 사파이어 기판위에 성장된 GaN 박막의 특성 및 청색광소자로의 응용 가능성을 확인하였다.

• 한국산학기술학회논문지
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• 제16권9호
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• pp.5748-5755
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• 2015

스크라이빙 공정은 LED 칩 생성을 위한 절단 공정으로 칩의 특성 및 생산량을 결정하는 중요한 공정이다. 기존의 기계적 방식 및 레이저 방식의 스크라이빙 공정은 칩의 열 변형 및 강도 저하, 절단 영역의 제한 등의 문제점이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 웨이퍼 내부에 공극을 생성하여 자가 균열을 유도하는 내부 레이저 스크라이빙 공정이 연구되고 있으나 LED 칩 제작을 위한 사파이어 웨이퍼의 절단에 대한 연구는 미비한 실정이다. 본 논문은 LED 칩 제작에 사용되는 사파이어 웨이퍼의 내부 레이저 스크라이빙 공정을 적용하기 위해 주요 가공 변수를 정립하고 가공 실험을 통하여 절단 특성을 분석함으로써 내부 레이저 스크라이빙 시스템 구축을 위한 기초 가공 조건을 확립하였다.

• 한국정밀공학회지
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• 제21권2호
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• pp.218-223
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• 2004

The sapphire wafers for blue light emitting devices were manufactured by the implementation of the surface machining technology based on micro-tribology. This process has been performed by Micro-lapping process. The sapphire crystalline wafers were characterized by double crystal X-ray diffraction. The sample quality of crystalline sapphire wafer at surface has a full width at half maximum of 250 arcsec. This value at the surface sapphire wafer surfaces indicated 0.12${mu}m$ sizes. Surfaces of sapphire wafers were mechanically affected by residual stress and surface default. As a result, the value of surface roughness of sapphire wafers measured by AFM(Atom Force Microscope) was 2.1nm.

• 대한기계학회논문집A
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• 제29권4호
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• pp.632-638
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• 2005

The surface lapping process on sapphire wafer was carried out for the epitaxial process of thin film growth of GaN semiconducting material. The planarization of the wafers was investigated by the introduction of the dummy wafers. The diamond lapping process causes the surface deformation of dislocation and micro-cracks. The material deformation due to the mechanical stress was analyzed by the X-ray diffraction and the Vickers indentation. The fracture toughness was increased with the increased annealing temperature indicating the recrystallization at the surface of the sapphire wafer The sudden increase at the temperature of $1200^{\circ}C$ was correlated with the surface phase transition of sapphire from a $-A1_{2}O_{3}\;to\;{\beta}-A1_{2}O_{3}$.